差壓流量計(jì)是一種很有發(fā)展前途的流量測(cè)量?jī)x表, 它具有通用性強(qiáng) 、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件不需實(shí)際流體標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn), 因此應(yīng)用范圍十分廣泛。
1 差壓流量計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀
工業(yè)測(cè)量和控制中, 使用的流量計(jì)種類(lèi)很多, 差壓型流量計(jì)廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè), 特別是冶金、石油、化工、天然氣、水電等部門(mén) , 而且有很多用于貿(mào)易結(jié)算, 是流量計(jì)中使用量大、面的一種流量計(jì) 。該流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、安裝方便 、歷史悠久 , 已積累大量可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
差壓流量計(jì)是一種用節(jié)流裝置或其他差壓檢測(cè)元件 (如測(cè)速管 、畢托管)與差壓計(jì)配套使用來(lái)測(cè)量流速的儀表 。該流量計(jì)是一種比較成熟的產(chǎn)品, 20世紀(jì) 50年代以前, 國(guó)外已廣泛應(yīng)用。由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng) 、適應(yīng)性強(qiáng)和價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn), 因而占有的市場(chǎng)比例很大, 20世紀(jì) 70年代曾高達(dá)到 35 。目前*雖然有所下降, 但仍然占有大的市場(chǎng)。
近年來(lái), 與節(jié)流裝置配套使用的差壓變送器發(fā)展很快, 主要在簡(jiǎn)單 、可靠、提高精度和增加功能等方面加以研究, 主要研究方法有:
1) 盡量減少零部件的種類(lèi)和數(shù)量 , 僅僅使用經(jīng)過(guò)證明是可靠的零部件。
2) 采用左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu), 從本質(zhì)上消除產(chǎn)生誤
差的因素。
3) 檢測(cè)元件使用半導(dǎo)體復(fù)合型傳感器, 可測(cè)量壓差、靜壓和溫度等參數(shù)。
4) 利用微處理機(jī)補(bǔ)償傳感器的特性 , 變送器的精確度一般可達(dá)量程的 0.1 , 可達(dá)量程的 0.075 。
5) 應(yīng)用數(shù)字通信技術(shù) , 把通信信號(hào)重疊在4 -20 mA變送器統(tǒng)一輸出信號(hào)上, 使用手持通信器便能遠(yuǎn)距離地進(jìn)行參數(shù)設(shè)定 (與以前相比可節(jié)省工時(shí) 96 )和自診斷 (與以前相比, 可節(jié)省故障檢查工時(shí) 85 )。這種變送器稱(chēng)為智能變送器或能巧變送器 。由于智能型變送器的出現(xiàn), 因而可構(gòu)成全數(shù)字儀表控制系統(tǒng)。
此外, 目前已研發(fā)了一種新型的變送器, 即在差壓變送器的功能上附加 PID(比例 、積分 、微分) 的調(diào)節(jié)功能。由此可以實(shí)現(xiàn):① 僅用該儀表就能進(jìn)行分散控制 ;②用多臺(tái)儀表既能實(shí)現(xiàn)差壓變送器的功能, 又能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的功能 ;③ 由于不需要調(diào)節(jié)器, 因而差壓變送器與儀表控制之間無(wú)需配線(xiàn), 降低了成本。
工業(yè)測(cè)量和控制中, 使用的流量計(jì)種類(lèi)很多, 差壓型流量計(jì)廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè), 特別是冶金、石油、化工、天然氣、水電等部門(mén) , 而且有很多用于貿(mào)易結(jié)算, 是流量計(jì)中使用量大、面的一種流量計(jì) 。該流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、安裝方便 、歷史悠久 , 已積累大量可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
差壓流量計(jì)是一種用節(jié)流裝置或其他差壓檢測(cè)元件 (如測(cè)速管 、畢托管)與差壓計(jì)配套使用來(lái)測(cè)量流速的儀表 。該流量計(jì)是一種比較成熟的產(chǎn)品, 20世紀(jì) 50年代以前, 國(guó)外已廣泛應(yīng)用。由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng) 、適應(yīng)性強(qiáng)和價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn), 因而占有的市場(chǎng)比例很大, 20世紀(jì) 70年代曾高達(dá)到 35 。目前*雖然有所下降, 但仍然占有大的市場(chǎng)。
近年來(lái), 與節(jié)流裝置配套使用的差壓變送器發(fā)展很快, 主要在簡(jiǎn)單 、可靠、提高精度和增加功能等方面加以研究, 主要研究方法有:
1) 盡量減少零部件的種類(lèi)和數(shù)量 , 僅僅使用經(jīng)過(guò)證明是可靠的零部件。
2) 采用左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu), 從本質(zhì)上消除產(chǎn)生誤
差的因素。
3) 檢測(cè)元件使用半導(dǎo)體復(fù)合型傳感器, 可測(cè)量壓差、靜壓和溫度等參數(shù)。
4) 利用微處理機(jī)補(bǔ)償傳感器的特性 , 變送器的精確度一般可達(dá)量程的 0.1 , 可達(dá)量程的 0.075 。
5) 應(yīng)用數(shù)字通信技術(shù) , 把通信信號(hào)重疊在4 -20 mA變送器統(tǒng)一輸出信號(hào)上, 使用手持通信器便能遠(yuǎn)距離地進(jìn)行參數(shù)設(shè)定 (與以前相比可節(jié)省工時(shí) 96 )和自診斷 (與以前相比, 可節(jié)省故障檢查工時(shí) 85 )。這種變送器稱(chēng)為智能變送器或能巧變送器 。由于智能型變送器的出現(xiàn), 因而可構(gòu)成全數(shù)字儀表控制系統(tǒng)。
此外, 目前已研發(fā)了一種新型的變送器, 即在差壓變送器的功能上附加 PID(比例 、積分 、微分) 的調(diào)節(jié)功能。由此可以實(shí)現(xiàn):① 僅用該儀表就能進(jìn)行分散控制 ;②用多臺(tái)儀表既能實(shí)現(xiàn)差壓變送器的功能, 又能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的功能 ;③ 由于不需要調(diào)節(jié)器, 因而差壓變送器與儀表控制之間無(wú)需配線(xiàn), 降低了成本。
2 差壓流量計(jì)的特點(diǎn)
2.1 節(jié)流式差壓流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)節(jié)流式差壓流量計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
1) 節(jié)流件標(biāo)準(zhǔn)孔板結(jié)構(gòu)易于復(fù)制、簡(jiǎn)單 、牢固 、性能穩(wěn)定可靠 、使用期限長(zhǎng) 、價(jià)格低廉 。節(jié)流式差壓流量計(jì)應(yīng)用范圍極為廣泛, 至今尚無(wú)任何類(lèi)型的流量計(jì)可與之相比。
2) 檢測(cè)元件與差壓顯示儀表可分別由不同廠家生產(chǎn), 便于專(zhuān)業(yè)化形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn), 它們的結(jié)合靈活、方便。
3) 檢測(cè)元件 , 特別是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型元件的檢測(cè),是*通用的, 并得到標(biāo)準(zhǔn)化組織的認(rèn)可 。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型檢測(cè)元件進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究是性的, 其他流量計(jì)一般依靠個(gè)別廠家或研究群體進(jìn)行, 因此, 研究的深度和廣度不可同日而語(yǔ) 。從時(shí)間上看, 標(biāo)準(zhǔn)型檢測(cè)件自 20世紀(jì) 30 年代標(biāo)準(zhǔn)化組織確定后始終沒(méi)有改變, 其研究資料及生產(chǎn)實(shí)踐的積累極其豐富, 應(yīng)用范圍廣泛。
4) 標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)流裝置無(wú)需實(shí)流校準(zhǔn), 即可投入使用, 在流量計(jì)中也是的。
2.2 節(jié)流式差壓流量計(jì)的缺點(diǎn)
節(jié)流式差壓流量計(jì)的缺點(diǎn)主要有:
1) 測(cè)量的重復(fù)性、精確度在流量計(jì)中屬于中等水平, 由于眾多因素的影響, 精確度難以提高。 2)范圍度窄, 由于儀表信號(hào)(壓差)與流量為
平方關(guān)系, 一般范圍度僅為 3 ∶1 ～ 4 ∶1。
3) 現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求高 , 如需要較長(zhǎng)的直管段 (指孔板、噴嘴 ), 一般難滿(mǎn)足。
4) 檢測(cè)件與壓差檢測(cè)儀表之間引壓管線(xiàn)為薄弱環(huán)節(jié), 易產(chǎn)生泄漏、堵塞 、凍結(jié)及信號(hào)失真等故障。
5) 壓力損失大 (指孔板、噴嘴)。
3 節(jié)流裝置的發(fā)展?fàn)顩r
3.1 國(guó)外節(jié)流裝置的發(fā)展?fàn)顩r節(jié)流裝置的發(fā)展有一個(gè)較長(zhǎng)的歷史過(guò)程, 早在 17世紀(jì)初, 卡斯特利和托里謝利提出兩條基本原理 : , 流速乘以管道橫截面的面積等于流量;第二, 通過(guò)孔眼的流量是與壓頭的平方根成正比;這兩條原理為節(jié)流裝置奠定了理論基礎(chǔ)。1913 年?？怂固构剂丝装迳嫌稳嚎谖恢迷O(shè)在2.5D(D指被測(cè)管的直徑)處, 下游取壓口位置設(shè)在 8D處的早的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 。
1912年 ～ 1916年, 托馬斯·韋默思和貝利研究了用于測(cè)量天然氣及蒸汽流量的法蘭取壓孔板 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而在歐洲對(duì)角接取壓孔板進(jìn)行了相同內(nèi)容的研究。
1930年后, 美國(guó)煤氣協(xié)會(huì) 、美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì) 、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局聯(lián)合試驗(yàn), 并確認(rèn)俄亥俄州立大學(xué)的測(cè)試報(bào)告, 將測(cè)試數(shù)據(jù)擬合成一個(gè)白金漢系數(shù)方程, 使孔板的應(yīng)用推進(jìn)了一步。
1975年, 斯托茲提出角接取壓、法蘭取壓、D-1/2D取壓孔板的流出系數(shù)可以使用一個(gè)通用的方程式。根據(jù)邏輯法則, 利用俄亥俄州立大學(xué)的數(shù)據(jù)擬合了適合于法蘭、角接和 D-1/2D取壓的無(wú)量綱方程式。1980年 ISO5167采納了斯托茲公式。
3.2 國(guó)內(nèi)節(jié)流裝置發(fā)展?fàn)顩r
1976年, 我國(guó)開(kāi)始對(duì)孔板等節(jié)流裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究, 實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容包括:試驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)流量裝置和差壓測(cè)量裝置的要求以及試驗(yàn)方法;流出系數(shù)的驗(yàn)證試驗(yàn) ;節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)試驗(yàn);節(jié)流裝置的安裝試驗(yàn)等。
1982年對(duì) D -1 /2D取壓孔板 、長(zhǎng)徑噴嘴均速管靶式流量傳感器和臨界流量進(jìn)行試驗(yàn)研究, 并制定了 JG311 -83檢定規(guī)程 。同時(shí)開(kāi)始對(duì)
均速管靶式流量傳感器和臨界流測(cè)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
研究。
1988年后, 臨界流流量計(jì)在氣體流量測(cè)量中有較廣泛的應(yīng)用。
1986年開(kāi)始對(duì)均速管、1/4圓孔板、錐形入口
孔板進(jìn)行了研究, 并制訂 JG621 -89檢定規(guī)程 。 1991年起, 根據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程體系表的
規(guī)定, 重新制定了《差壓式流量》國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程 JG640 -94。這一標(biāo)準(zhǔn)將所有產(chǎn)生差壓的節(jié)流裝置和流量傳感器歸為一類(lèi), 包括配套的差壓變送器。
3.3 流量測(cè)量?jī)x表的發(fā)展方向
隨著工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步, 綜合控制和管理系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越多 。流量測(cè)量?jī)x表是傳輸現(xiàn)場(chǎng)信息的重要部分, 流量測(cè)量?jī)x表的發(fā)展方向主要有:
1) 大量地 、準(zhǔn)確地傳輸信息, 這就需要以可靠性作為首要條件的小型、輕型、低價(jià)格 、操作容易的流量測(cè)量?jī)x表。
2) 系統(tǒng)實(shí)行分散化 , 將系統(tǒng)的一部分功能轉(zhuǎn)移到流量測(cè)量?jī)x表上, 這就需要多功能、高穩(wěn)定和高精度的智能流量測(cè)量?jī)x表。
4 差壓流量計(jì)節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)化研究現(xiàn)狀
4.1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的研制過(guò)程1) ISAI932噴嘴 (孔板 )。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的發(fā)展經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的過(guò)程, 早在 20世紀(jì) 20 年代, 美國(guó)和歐洲的一些國(guó)家就開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模的節(jié)流裝置實(shí)驗(yàn)研究, 并對(duì)普通的節(jié)流裝置 (孔板和噴嘴 )的 設(shè)計(jì)實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)孔板稱(chēng)為ISAI932孔板 。節(jié)流裝置的標(biāo)準(zhǔn)化具有深遠(yuǎn)的意義, 只有節(jié)流裝置的標(biāo)準(zhǔn)化, 才有可能把上眾多研究成果匯集到一起, 它促進(jìn)檢測(cè)元件的理論和實(shí)踐向深度和廣度拓展, 這是其他流量計(jì)所不及的。
20世紀(jì) 50年代末, 標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO把美國(guó)與歐洲節(jié)流裝置的研究數(shù)據(jù)相結(jié)合, 并于 1967 年、1968年頒布了 ISO/R541有關(guān)孔板和噴嘴的規(guī)定和 ISO/R781有關(guān)文丘里管的規(guī)定兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
2) 標(biāo)準(zhǔn) ISO5167。1980年 , ISO正式通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) ISO5167, 由此流量測(cè)量節(jié)流裝置個(gè)標(biāo)準(zhǔn)誕生了。ISO5167 總結(jié)了幾十年來(lái)上對(duì)為數(shù)不多的幾種節(jié)流裝置 (孔板、噴嘴和文丘里管)的理論與實(shí)驗(yàn)的研究成果, 反映該檢測(cè)元件的當(dāng)代科學(xué)與生產(chǎn)技術(shù)水平。
在此之前, 我國(guó)一直用前蘇聯(lián)的節(jié)流裝置手冊(cè) 。1976年 , 我國(guó)開(kāi)始對(duì)孔板等節(jié)流裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究 。1981 年, 我國(guó)制定了個(gè)節(jié)流裝置國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) CTB2624 -81。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和檢測(cè)手段的 提高, 1993 年, 修訂后的 國(guó)標(biāo)為GB/T2624 -1993。
4.2 ISO5167存在的問(wèn)題
ISO5167從正式頒布時(shí)就暴露出許多問(wèn)題,
其主要問(wèn)題有:
1) ISO5167實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的陳舊性。ISO5167 中采用的數(shù)據(jù)大多數(shù)是 20世紀(jì) 30年代的實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 而現(xiàn)在無(wú)論節(jié)流裝置制造技術(shù) 、流量實(shí)驗(yàn)設(shè)備還是實(shí)驗(yàn)技術(shù)都有了巨大的進(jìn)步, 因此重新進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)以獲得更高精度的數(shù)據(jù)是必要的 。進(jìn)入80年代, 美國(guó)和歐洲都進(jìn)行了大規(guī)模的實(shí)驗(yàn), 為修訂 ISO5167打下了基礎(chǔ)。
2) ISO5167中有關(guān)于直管段長(zhǎng)度的規(guī)定。長(zhǎng)
期以來(lái)這一問(wèn)題一直是爭(zhēng)論的焦點(diǎn), 該問(wèn)題也是
ISO5167修訂的主要原因之一 。
3) ISO5167中各項(xiàng)規(guī)定的科學(xué)性 。影響節(jié)流裝置流出系數(shù)的因素很多, 主要有孔徑與管徑的比值 R、取壓裝置、雷諾數(shù)、節(jié)流件安裝偏心度、前后阻流件類(lèi)型及直管段長(zhǎng)度、孔板入口邊緣尖銳度、管壁粗糙度 、流體流動(dòng)湍流度等, 由于眾多因素的影響, 有的參數(shù)難以直接測(cè)量, 標(biāo)準(zhǔn)中有些規(guī)定并非科學(xué)。
4) 節(jié)流裝置的精確度不高。20世紀(jì) 80年代,美國(guó)和歐洲開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模的孔板流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究, 歐洲有歐共體實(shí)驗(yàn)計(jì)劃, 美國(guó)有 API實(shí)驗(yàn)計(jì)劃, 實(shí)驗(yàn)的目的是用測(cè)試設(shè)備及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理技術(shù)進(jìn)行新一輪的范圍廣泛的實(shí)驗(yàn)研究, 為修訂 ISO5167打下技術(shù)基礎(chǔ)。1999年標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)出 ISO5167的修訂稿(ISO/CD5167
-1 ～ 4), 該文件在技術(shù)內(nèi)容和編輯方面都有較大的改動(dòng), 是一份全新的標(biāo)準(zhǔn) 。原預(yù)定于 1999年7月在美國(guó)丹佛舉行的 ISO/TC30 /SC2會(huì)議上審查通過(guò)為 DIS(標(biāo)準(zhǔn)草案 ), 但會(huì)議認(rèn)為該文件的一些細(xì)節(jié)問(wèn)題有待進(jìn)一步商榷, 因此未能通過(guò)審核批準(zhǔn)。2000年通過(guò)的 ISO/5167新標(biāo)準(zhǔn) , 標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)核心內(nèi)容都有了實(shí)質(zhì)性的變化 :一是孔板的流出系數(shù)公式, 用 Reader-Haris/Calagher計(jì)算式 (R-G式)代替 Stolz計(jì)算式;二是節(jié)流裝置
上、 下游側(cè)直管段長(zhǎng)度以及流動(dòng)整流器的使用等有了明確的要求。
